加筋圆柱壳声辐射特性研究及声学优化设计

为研究全频段加筋圆柱壳声辐射特性,基于VA-ONE建立FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法低中高全频段的计算模型,并进行加筋圆柱壳辐射声功率的计算,从结构固有模态角度研究了各阶模态的声辐射效率。结果表明,加筋能够减小圆柱壳结构的总体辐射声功率,尤其可以减小低频段的辐射声功率;在中低频区,各阶模态的模态辐射效率具有较大差异,在中高频区,则相差不大。进一步研究了激励位置、壳厚、材质及辐射介质对加筋圆柱壳声辐射特性的影响。为减小加筋圆柱壳对外场点的辐射声功率,基于NCT模块及Design Optimization模块进行声学优化设计,结果表明,将GA算法与SQP算法或MMA算法组合使用不仅可以减少运算时间,而且可以获得较好的优化方案。     

有限长圆柱壳结构水下声辐射有源控制实验

以水下有限长圆柱壳为对象,实验研究水下结构声辐射有源控制。实验中通过引入次级力源,以单个或两个误差点处的声压最小为目标函数,分析次级激振器和误差传感器布放（位置和数目）以及激励频率对控制效果的影响。结果表明：有源控制能够有效控制水下圆柱壳线谱噪声;增加次级激振器和误差传感器的数目,能够增大降噪区域;有源控制在3 000 Hz高频处对壳体噪声控制依然有效。有源控制能够对多线谱信号激励壳体辐射噪声产生抑制作用。     

水下圆柱壳声辐射有源力控制及机理分析

研究了利用力激励进行水下有限长圆柱壳振动声辐射有源控制问题。考虑流固声振耦合作用,根据圆柱壳辐射声功率在周向相互解耦的特性,推导了次级力源最优强度解析表达式,比较了单个力和多个力有源控制后的降噪效果;利用圆柱壳结构振动模态和声辐射模态的对应关系,分析了圆柱壳声辐射有源力控制的物理机理。研究结果表明:多个次级力更能有效地控制壳体产生声辐射的振动部分而达到控制噪声的目的;水下圆柱壳的前几阶声辐射模态的辐射效率很高,而辐射模态幅度较低,有源控制机理在于降低与结构振动模态对应的声辐射模态幅度,从而有效控制结构振动产生的声辐射。     

水下圆柱壳结构流噪声仿真及降噪技术研究

为探究圆柱壳结构横向来流时流噪声的产生机理和控制技术,对其高雷诺数下的流噪声进行数值仿真,并分析声学覆盖层对流噪声向壳内传播的阻抑作用。首先基于SSTk-ω 湍流模型对流场进行分析,并运用Lighthill 声类比理论构建流噪声数值计算模型,分析圆柱壳内外的声场特性,比较不同声学覆盖层圆柱壳内的声压级。结果表明：流噪声的峰值频率与流场的涡脱落频率一致,为低频噪声;聚氨酯弹性体、聚氨酯泡沫以及铅三种声学覆盖层,铅的吸隔声性能最好,且适当增加空气层对低频噪声的抑制效果更为明显。研究可为水下圆柱壳内流噪声降噪提供一定的指导。     

无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算

建立了无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算方法,计算模型采用了Donnell壳体理论,考虑环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳径向反作用力,利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了这种计算模型的声弹耦合控制方程.文中推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式,利用稳相法得到远场辐射声压.计算表明,实肋板和舷间水都是重要的声传递通道,在双层圆柱壳水下声辐射计算时必须考虑实肋板和舷间水的振动传递,双层圆柱壳水下声辐射对结构参数(壳板厚度、舷间距离等)变化不敏感.     

声学黑洞在圆柱壳上的应用及结构优化研究

针对声学黑洞（Acoustic Black Hole,ABH）在圆柱壳结构上的应用问题,首先采用有限元法分析嵌入ABH的圆柱壳结构的振动特性并讨论不同结构尺寸对其振动特性的影响。随后对结构开展进一步研究,在嵌入ABH的圆柱壳结构外布置局域振子,分析其振动特性,并讨论不同材料振子及振子不同的质量分布对结构振动特性的影响。结果表明：相比原结构,嵌入ABH的圆柱壳结构的振动传递损失增加;当结构内径增大时,振动峰值向高频移动,振动衰减增大;在嵌入ABH的结构外侧附加振子使其发生局域共振可增加振动衰减,改善结构的振动特性;若采用不同材料振子,其质量增大时,振动衰减会向低频移动;随着振子外侧质量向中心集中,结构固有频率随之降低,振动衰减前移,可知振子质量及刚度参数对结构的振动特性有较大影响。     

复合材料夹芯圆柱壳水下振动和声辐射的三维弹性解

为获得复合材料夹芯圆柱壳的振动声辐射准确解,在厚度方向将壳体分成若干薄层,基于三维弹性理论和状态空间技术,对每一薄层建立状态空间方程,并结合位移和应力连续条件,建立横向位移和应力的传递矩阵。外表面的流体载荷和内表面的点激励通过傅里叶级数展开,并代入状态空间方程,获得了复合材料圆柱壳水下振动和声辐射的弹性准确解。应用具体算例,与有限元仿真和文献计算结果对比。结果表明,本文的三维弹性理论相较于近似的二维壳体理论更加准确。进一步研究了铺层角、表层和芯材厚度分布及材料损耗因子对振动声辐射的影响。计算结果表明,在环频率以下的频段,声功率峰值点数目随铺层角度增加呈“抛物线”型变化趋势;在环频率以上的中高频段,随着铺层角度增加,声功率峰值点数目呈先增加后趋于平缓然后继续增加的趋势。随着芯材损耗因子的增加,声功率峰值逐步降低,但下降幅度减小。      

基于目标传递和代理模型的水下结构振动声辐射设计优化

基于目标传递法和代理模型实现了水下结构振动声辐射的设计优化。目标传递法用于实施多级优化,Kriging代理模型用于解决水下结构振动声辐射计算量过大而无法实施设计优化的问题。以水下加肋板结构的振动声辐射为例构造了一个两级优化设计问题来验证所用方法的有效性。选取板厚,加强肋高度和加强肋宽度作为设计变量,以结构质量、共振频率、共振频率处的声功率级和共振频率间的差值作为优化目标来进行设计优化。研究结果表明Kriging代理模型可实时准确地代替耦合计算模型预报水下结构振动声辐射响应,使用目标传递法会由于目标权重和协调机制的不同而导致不同的优化结果,设计者可以根据实际需要从优化结果中选择合适方案。     

水下爆炸载荷作用下加筋圆柱壳的响应分析

运用MSC．DYTRAN软件，首先比较了网格划分密度的改变，耦合法的选取及边界条件对计算的影响。并在合理的网格划分和耦合方法选用的基础上，设置符合实际的边界条件，在壳体的迎爆面，侧爆面和背爆面各选取一个点，在分析光壳的响应的基础上，详细计算了加筋圆柱壳对水下爆炸冲击波的响应。比较分析了不同的尺寸参数对结构抗爆性能的影响，并做了综合讨论，计算中考虑了材料的应变率强化效应。在此基础上验证了增加壳体厚度，减小加筋间距和增加加筋高度等有利于提高加筋圆柱壳抗爆性能的方法，同时得到了一个适合本例计算的较优化模型。     

基于Riccati传递矩阵法分析水下有限长环肋圆柱壳的声辐射性能

采用与以往解析法和FEM/BEM不同的思路,通过运用Riccati传递矩阵法和齐次扩容精细积分法求解水下圆柱壳声振问题的一阶矩阵微分方程,提出一种新的半解析半数值法分析有限长环肋圆柱壳的声振问题。声压解析表达式由满足Helmholtz方程的基本解的线性组合表示;利用液固交界面的法向速度协调条件以及在壳体母线上配点,从而将结构的声振耦合方程转化为求解声压系数的线性代数方程组,实现了对环肋圆柱壳声振问题的求解。数值算例研究了几个重要计算参数对精度的影响;另外通过结果比较表明了该方法的有效性。该方法可以进一步推广到求解有限长环肋圆锥壳以及环肋锥壳组合壳的声振问题。     

Design Optimization of Composite Cylindrical Shells under Uncertainty

Four different approaches for the design of axially compressed cylindrical shells are presented, namely (1) the knockdown factor (KDF) concept, (2) the single perturbation load approach, (3) a probabilistic design procedure and (4) the convex anti-optimization approach. The different design approaches take the imperfection sensitivity and the scatter of input parameters into account differently. In this paper, the design of a composite cylinder is optimized considering the ply angles as design variables. The KDF concept provides a very conservative design load and in addition an imperfection sensitive design, whereas the other approaches lead to a significantly less conservative design load and to a less imperfection sensitive design configuration. The ways in which imperfection sensitivity is treated by the different approaches and how these influence the optimal design configuration is discussed.     

含铝炸药爆炸作用下的水中圆柱壳动态响应数值研究？

为了研究圆柱壳在含铝炸药水下爆炸载荷作用下的响应规律,利用非线性动力学软件AUTODYN计算了3种不同配方含铝炸药的远场冲击波特性,并将计算值与文献实验值进行对比,计算误差能够稳定在5％以内,之后结合ABAQUS程序模拟了含铝炸药冲击载荷作用下水中圆柱壳的动态响应。在30 kg药量下分析比对了圆柱壳体加速度、速度及有效塑性应变的变化规律,随后确定了各炸药致使圆柱壳结构失稳的临界药量,并以PBXW-115为例研究了临界药量作用下的圆柱壳破坏模式。结果表明,AUTODYN与ABAQUS程序的联用,能够有效地模拟圆柱壳在含铝炸药远场冲击波作用下的动态响应;含铝炸药致使圆柱壳单元达到屈曲失效所需药量普遍低于理想炸药RDX。     

基于QPSO的水下加肋圆柱壳体噪声优化设计

提出了厚度分布沿轴向周期变化的加肋圆柱壳体有限元矩阵的快速导出算法,并结合边界元法对圆柱壳体在水下受力振动与声辐射进行预报。在此基础上,以低频段内总声辐射功率最小为优化目标,采用量子粒子群算法对厚度沿轴向周期分布的加肋圆柱壳体进行优化设计。数值仿真结果表明,该算法对水下加肋圆柱壳体的噪声优化设计分析周期有明显的改善,合理配置圆柱壳体的厚度分布可以有效的改善圆柱壳体在水下的噪声性能。     

静水压对加筋圆柱壳受水下爆炸冲击载荷作用的影响

应用有限元法，分析静水压对受水下爆炸载荷时的加筋圆柱壳体的变形及破坏模式的影响。通过对壳体结构及外部水域进行建模，并考虑流固耦合及空泡因素，模拟出结构受水下爆炸载荷及静水压力联合作用下的响应。通过比较有和没有外部压力时，不同冲击波下结构的破坏形式，得出外部水压对耐压结构受爆炸载荷时响应的影响。     

The Secondary Buckling and Design Criterion of Composite Laminated Cylindrical Shells

Even a weak disturbance caused by an asymmetric mesh is enough to break structural symmetry, which triggers the bifurcation buckling and post-buckling behavior of composite laminated cylindrical shells under compression loading by ABAQUS. The mesh perturbation is more objective and authentic; it will not destroy the original model structure in Finite Element Analysis, comparing with the traditional perturbation method by introducing the initial imperfections into the model. A series of numerical experiments are performed to investigate the influence of different types of asymmetric mesh on the predicted secondary buckling load. The predicted secondary buckling load agrees better with analytical solution than predicted primary buckling load and the results from the traditional perturbation method respectively. Therefore, secondary buckling load provides the key design criterion for composite laminated cylindrical shells. Primary and secondary post-buckling patterns of different complexity are explored, which agrees well with experimental buckling modes. Our major conclusions can be summarized briefly: different types of asymmetric mesh have little influence on the predicted secondary buckling load; Care must be exercised regarding the mesh density in order to produce the secondary buckling mode as well as the reliable secondary buckling load.     

Dynamic Analysis of Sandwich Cylindrical Shells

We present a dynamic analysis of cylindrical shells and study new mechanical effects in the distribution of stresses, strains, and displacements. Cylindrical shells are studied within the framework of the Kirchhoffndash;Love hypothesis and the refined Timoshenko model.     

受约束的圆柱壳的振动分析

本文提出的解析法可对具有任意经典边界条件和在两端间具有若干约束的圆柱壳的自振特性进行计算。文中将亮体轴向模态位移用完备正交级数表示,然后将壳体振型函数分解为一个一致收敛级数迭加上另一线性多项式,从而解决了振型级数的收敛性和可微性。这样处理比stokes变换方法更具有一般性,不但可以得到受约束的圆柱壳固有频率的精确值,而且可以求得相应的振型。     

基座阻抗均匀化对加筋柱壳水下辐射噪声的影响

以加筋柱壳及典型基座结构为对象,分析了基座阻抗均匀化对加筋柱壳水下辐射噪声的影响。基于有限元法通过改变基座结构特征参数,研究加筋柱壳水下辐射噪声特性及基座结构阻抗特性,利用数值计算法分析基座结构机械阻抗对加筋柱壳水下辐射噪声的影响规律,在此基础上,进一步研究基座阻抗均匀化对加筋柱壳水下辐射噪声的影响。研究表明,相比于机械阻抗对加筋柱壳水下辐射噪声的影响,基座阻抗均匀化对其影响较小,但随着基座阻抗均匀程度的提高,加筋柱壳水下辐射噪声在减小。     

水声传感器自动测试位移机构设计

在水声传感器研制过程和实际装机应用之前,需进行大量的试验来测试其性能及可靠性。根据水声传感器的性能测试需求,设计了能够搭载水声传感器进行水下测试的五自由度精密位移试验台,实现传感器在试验水槽内三个直线方向和两个回转角度方向上位置的全覆盖,并提出了一种可以快速检测梯形丝杠螺母传动回程误差的工程测量方法,通过软件补偿的方法来克服回程误差,实现机构运动的准确定位,满足了低成本模式下多自由度精密定位需求。最终,应用激光跟踪仪对试验设备进行了误差检测,保证测试过程中传感器相对位置的准确性。     

一种水下电缆连接器及其优化设计

针对某水下监测系统中电缆在水下无法维护,工作可靠性较低的问题,提出并设计了一种可切换控制的连接器.由它实现的电缆分时工作及缆芯备份将提高电缆供电和通信的可靠性.文中分析了连接器在半双工和全双工方式下的可靠度和实现的复杂度,其中连接器使用的开关数量代表了实现的复杂度.根据全概率公式分别得到了两种工作方式下可靠度最高的连接器设计方案.最后以6芯电缆为例说明了可切换控制连接器的设计及优化方法.